InGaAs相机：基础知识

InGaAs传感器

InGaAs传感器用于物理和生命科学中需要在900-1700 nm波长范围内具有高灵敏度的应用，称为短波红外(SWIR)。由于材料成分的变化，一些 InGaAs 传感器能够测量高达 2500 nm 的波长。

虽然硅基CCD相机在紫外至近红外范围内具有出色的灵敏度，但硅的带隙特性使这些CCD在1100 nm以上无法获得足够的灵敏度。然而，InGaAs相机具有较低的带隙，使这种材料成为短波红外(SWIR)区域应用的首选技术。

InGaAs焦平面阵列由二维光电二极管阵列组成。该阵列由磷化铟 (InP) 衬底、InGaAs 吸收层和超薄 InP 帽组成，该电容已通过铟凸块键合到读出集成电路 (ROIC)。图 1 中显示了该图。

InGaAs二维阵列通过收集光子产生的电荷来检测SWIR入射光。ROIC为收集到的电荷提供时钟并将其转换为电压，将信号传输到片外电子设备，用于创建图像。

图 1：典型 InGaAs 传感器不同层的示意图。顶层(蓝色)由抗反射涂层组成，以最大限度地提高光子通量。下一层(绿色)是InP衬底，它连接到下面的InGaAs吸收层(橙色)，然后是超薄的InP帽(黄色)。然后将该盖子(黄色列)与读出集成电路(灰色)粘合到相机前置放大器(黄色长方体)连接的读出集成电路(灰色)上。

局限性

InGaAs相机的最大限制是它们的噪音水平。材料的较低带隙也会产生较高的暗电流(热产生的信号)。因此，InGaAs相机需要深度冷却，通过尽可能降低暗噪声来增加信噪比。

这可以通过热电冷却或低温冷却来实现，具体取决于应用要求。传感器位于密封真空密封室中，以确保传感器与外部环境的低热耦合，并防止传感器上残留气体冷凝。最高质量的真空室可在摄像机的整个生命周期内实现免维护冷却。图2显示了暗电荷如何随着温度的降低而减少。

图 2：暗噪声与温度之间的关系，表明随着温度的降低，每秒每像素的电子数会减少。

另一个限制是像素缺陷。由于InGaAs传感器制造的复杂性，缺陷像素是不可避免的，但是可以通过在数据采集软件中使用缺陷校正算法来校正这些像素。

固定模式噪声也是一个问题，由增益或响应变化引起。在典型的InGaAs焦平面阵列中，每个像素列都连接到一个单独的前置放大器进行读出，从而产生来自任何增益/响应变化的固定模式噪声。然而，在先进的InGaAs相机中，这是可以完全减去的。

总结

InGaAs传感器由于其较低的带隙而针对SWIR范围的检测进行了优化。这些传感器由2D光电二极管阵列组成，该阵列由InP亚态、InGaAs吸收层和超薄InP帽组成。

SWIR波长在多种应用中是必不可少的，例如，在生命科学中，该波长范围很容易深入到体内组织中。对于工业应用，InGaAs相机对于湿度测量、表面薄膜分布和材料分离至关重要;所有这些都依赖于SWIR范围内的光子检测。

由于材料的带隙较低，InGaAs相机容易受到较高暗噪声的影响。然而，通过深度冷却相机来尽可能减少暗噪点，可以解决这个问题。另一个限制是像素缺陷;但是，这可以通过在数据采集软件中使用缺陷校正算法来纠正。

审核编辑 黄宇